發布日期：2022-10-09 點擊率：58
指紋傳感器（又稱指紋Sensor）是實現指紋自動采集的關鍵器件。最早的指紋識別技術是以光學傳感器為基礎的光學識別系統，識別范圍僅限于皮膚的表層，通常把它叫做第一代指紋識別技術；而采用了電容傳感器技術的第二代指紋識別系統實現了識別范圍從表皮到真皮的轉換，從而大大提高了識別的準確率和系統的安全性，也是目前市場上大部分指紋識別設備的基礎。
第一代指紋識別系統
光學傳感器
始于1971年的光學傳感器是研究最早、應用最廣泛的指紋傳感器。其技術關鍵是光的全反射，手指置于加膜臺板（一般是硬質塑料，不同廠家材料有異），照射到壓有指紋的玻璃表面時，反射光經電荷耦合器件（charge coupled device，CCD）轉換為相應電信號，并傳輸后端進一步處理。其中，反射光強度取決于兩方面因素：壓在玻璃表面指紋的脊和谷的深度、皮膚與玻璃間的油脂和水分。由于光線經玻璃照射到谷的區域后在玻璃與空氣的界面發生全反射至CCD，而射向脊的光線被脊與玻璃的接觸面吸收或者漫反射到其他地方，這樣，即可利用CCD將有深色脊和淺色谷構成的指紋圖像轉換成數字信號。當然，為獲得較高質量的指紋圖像，還需采用自動或手工方式調整圖像亮度等。
光學指紋傳感器優點主要表現為抗靜電能力強、系統穩定性較好、使用壽命長，能提供分辨力為500dpi（dot per inch）的圖像，特別是能實現較大區域的指紋圖像采集，但指紋圖像采集區域較大時所需焦距亦較長，采集設備體積需隨之增大，否則，會導致采集的圖像邊緣線形發生扭曲。
光學指紋傳感局限性體現于潛在指印方面（潛在指印是手指在臺板上按完后留下的），不但會降低指紋圖像的質量，嚴重時，還可能導致2個指印重疊，顯然，難以滿足實際應用需要。此外，臺板涂層及CCD陣列會隨時間推移產生損耗，可能導致采集的指紋圖像質量下降。但是具有無法進行活體指紋鑒別、對干濕手指的適用性差等缺點。
光學指紋識別系統由于光不能穿透皮膚表層（死性皮膚層），所以只能夠掃描手指皮膚的表面，或者掃描到死性皮膚層，但不能深入真皮層。在這種情況下，手指表面的干凈程度，直接影響到識別的效果。如果，用戶手指上粘了較多的灰塵，可能就會出現識別出錯的情況。并且，如果人們按照手指，做一個指紋手模，也可能通過識別系統，對于用戶而言，使用起來不是很安全和穩定。
光學傳感器中存在棱鏡，其體積較大，一般為半導體的幾倍甚至10倍大小，所以限制了其在小型設備上的應用。在類似考勤機、門禁等大設備上使用沒有體積限制的問題，但在U盤、移動硬盤、手持設備上使用，體積成了最大的障礙。
成本低一直以來被認為是光學傳感器的最大優勢，但由于其制造過程一致性較難保證，隨著以電容傳感器為代表的半導體傳感器的大規模發展，光學傳感器的成本優勢也已經不再明顯。雖然大多數公司還在使用光學傳感器，但其發展趨勢是新穎的、高質量的電容指紋傳感器。
第二代指紋識別系統
電容傳感器
電容傳感器始于1998年，屬于半導體傳感器的一種，半導體指紋傳感器還包括半導體壓感式傳感器、半導體溫度感應傳感器等，其中，應用最廣泛的是半導體電容式指紋傳感器。
電容傳感器根據指紋的嵴和峪與半導體電容感應顆粒形成的電容值大小不同，來判斷什么位置是嵴什么位置是峪。其工作過程是通過對每個像素點上的電容感應顆粒預先充電到某一參考電壓。當手指接觸到半導體電容指紋表現上時，因為嵴是凸起的峪是凹下，根據電容值與距離的關系，會在嵴和峪的地方形成不同的電容值。然后利用放電電流進行放電。因為嵴和峪對應的電容值不同，所以其放電的速度也不同。嵴下的像素(電容量高)放電較慢，而處于峪下的像素(電容量低)放電較快。根據放電率的不同，可以探測到嵴和峪的位置，從而形成指紋圖像數據。
與光學設備多采用人工調整改善圖像質量不同，電容傳感器采用自動控制技術調節指紋圖像像素以及指紋局部范圍敏感程度，在不同環境下結合反饋信息生成高質量圖像。由于提供了局部調整能力，即使對比度差的圖像（如手指壓得較輕的區域）也能被有效檢測到，并在捕捉瞬間為這些像素提高靈敏度，生成高質量指紋圖像。
電容指紋傳感器優點為圖像質量較好、一般無畸變、尺寸較小、易集成于各種設備。其發出的電子信號將穿過手指的表面和死性皮膚層，而達到手指皮膚的活體層（真皮層），直接讀取指紋圖案，從而大大提高了系統的安全性。
電容指紋傳感器因制造工藝復雜，單位面積上傳感單元多，包含高端的IC設計技術、大規模集成電路制造技術、IC芯片封裝技術等，所以電容指紋傳感器幾乎全部是由IC技術發達的國家或地區，如美國、歐洲、臺灣等地設計、制造的。目前國內廠家基本上沒有能力生產電容指紋傳感器。
各廠商可能采用不同形式電容方法開發產品，技術新穎且先進的首推瑞典FingerPrintCard公司推出的FPC1011C，是一種電容式面裝指紋傳感器。該傳感器采用了多項專利，如獨立的晶圓體信號放大、傳感器表面的保護膜等。內部具有A/D轉換，高速的SPI接口，8PIN的軟排線可以方便的接入各種系統。該技術能適應各種復雜指紋，并能在各種環境下獲得從干手指到濕手指的高質量指紋圖像，從而顯著降低指紋識別系統誤識率、拒識率。
隨著指紋識別技術的不斷發展，質量高、功耗低、體積小的電容傳感器傳感器作為便攜式產品極其重要的指紋圖像采集手段，應用日益廣泛，其市場規模以驚人速度飛速拓展。2003年11月，美國Frost & Sul Uvan發布的指紋傳感器市場調查結果表明：目前，在面向身份認證的指紋傳感器中，傳統型光學傳感器占一定優勢，受電容傳感器技術進步和價格下降等因素的影響，電容傳感器的份額將逐漸增加，成為指紋采集技術的主流。
光電式指紋傳感器綜述
光電式指紋傳感器是最先出現的指紋傳感器，但對于指紋技術而言，由于其固有缺陷比較明顯，已經屬于一種相對過時的技術，金融系統的指紋項目已經明確排除采用這種傳感器。
光電式指紋傳感器的設備原理是光的全反射，這也是數碼相機的成像原理，光線照到按有指紋的玻璃上并進行反射。反射光線由感光器件獲得，由于指紋的脊和谷的深度以及皮膚與玻璃問的油脂和水分不同，反射光線的能量也不一樣。光線經玻璃照射到谷的地方后在玻璃與空氣的界面發生全反射，光線被反射到感光器件，而射向脊的光線不發生全反射．而是被脊與玻璃的接觸面吸收或者漫反射到別的地方，這樣就在感光器件上就形成了指紋的圖像。
光電式指紋傳感器根據所采用的成像芯片不同分為CCD光電式和CMOS光電式兩種。
CCD光電式
這種傳感器利用光線照射指紋表面的脊和谷，指紋的圖像被反射到CCD上，并被轉換成電信號輸出。由于該類產品的信號輸出大多是模擬信號，與處理器的接口電路比較復雜，抗干擾能力也較弱，因此已逐漸被CMOS光電式指紋傳感器所取代。
CMOS光電式
隨著CMOS數碼陣列光電圖像傳感器技術的不斷成熟，在光電視像轉換領域，開始逐步取代傳統的CCD光電器件。與CCD光電式指紋傳感器相比，CMOS光電式指紋傳感器由CMOS光電器件取代CCD光電器件構成。它采用數字信號輸出，抗干擾能力較強，與處理器的接口電路相對簡單。
光電式指紋傳感器除了成像芯片以及相關接口電路，還包括一組棱鏡、透鏡，成像鏡等所組成的光學通道。
CMOS成像芯片價格在1-3美元左右，加上光學部分，光電式指紋傳感器物料的成本也就在30-50元，所以我們可以見到市面上光電式指紋傳感器價格可以低至70-80元，但是通常價格在120-150元左右。
國外的光電式指紋傳感器價格可達到1000多元人民幣，而真正適用于高檔指紋項目的光電式指紋傳感器可能也只有這種高價位的產品。據了解原因可能有以下幾點：
1、高檔光電式指紋傳感器每個產品光學通道的技術指標要求非常苛刻，特別是對一致性非常嚴格，絕對不能出現聯網的門禁系統中，這個門登錄的指紋，在另外的門就無法識別的情況。國內能夠達到這樣嚴格的工藝要求的光電式指紋傳感器的生產廠商非常少；
2、光電式指紋傳感器為了防止光學畸變，一般體積較大，同時采集窗口必須足夠大才能獲得質量較好的圖像。但是目前指紋產品需要盡可能減小傳感器的體積尺寸以便實現更美觀合理的外觀造型設計以及成本控制，同時國內指紋行業對光電式指紋傳感器缺乏嚴格的行業標準，很多廠家的產品實際都有嚴重的光學畸變，不適應指紋產品對安全性的起碼要求；
3、光電式指紋傳感器目前所用的是30萬像素CMOS成像芯片，也可用于監視器、攝像頭等產品中。但是，在攝像頭、監視器等應用中，如果有壞點，很容易被客戶識別，進而基本不能被接受。然而CMOS芯片生產都有良率和芯片性能衰退的問題，所以一般只要壞點不超過30%，就可能用來制作低檔的光電式指紋傳感器；
4、用于數碼相機/攝像機等主流產品的CMOS成像芯片解析度迅速提升，甚至手機上也流行配置數百萬像素的攝像頭，適用于指紋應用的VGA格式芯片迅速被淘汰，一線廠商紛紛停產。由于指紋應用尚未真正形成規模，接手生產此類低端芯片的廠商利潤空間非常有限，因此光電式指紋傳感器生產廠商往往只能采購到已經停產的OV7620等存貨（有保質期的問題），因此這也導致潛在的性能衰退的問題出現，影響系統可靠性。
另外，光電式指紋傳感器還存在著其他一些固有的缺陷，包括：
1、指紋采集窗口有指紋殘留，據說在廣交會上，曾經出現過指紋保險箱被陽光照射，門自動打開的情況。
2、采用一些很容易獲得的材料人為制造的假指紋同樣可以使光電式指紋傳感器采集到指紋圖像。在所有指紋采集技術中，光學技術是最容易被假指紋騙過的。針對光電式指紋傳感器的假指紋制作方法廣為流傳，有好幾個省市的駕校指紋考試系統因此被蒙蔽，造成嚴重的后果。
3、因為水分流失，人在冬天時手指往往偏干，偏干的程度與氣候干燥程度及人體差異有關。 由于指紋采集原理的限制，光電式指紋傳感器很難對干的手指采集到清晰的指紋圖像，造成了這種產品對干手指識別率低（拒真率高）的問題。手指越干，這個問題越突出。在北方冬天氣候條件下，手指發干會導致很多人的手指無法被識別。這個問題在北方地區尤其突出。
4、在光電式指紋傳感器玻璃表面貼膜可以改善干手指的問題，但是膜本身很不耐用，而且膜的使用使假指紋問題更嚴重。
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